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科學報 科學文摘 探索

雙縫幹涉延遲實驗,僅是一個實驗而已,為何會讓科學家感到恐怖?


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更新日期:2021204
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展翔的天馬

優質創作者

光的波動性與粒子性的發展

早在牛頓提出光的粒子性之前,就已經有人提出了光的波動性,他就是惠更斯。那時候惠更斯已經提出了光的一套綜合理論,對於光的傳播、反射定律和折射定律,都能解釋一些相應的自然現象。

但這個理論在一些其他的自然現象的解釋當中就遇到了困難。同一時期,另外的一位偉大科學家牛頓,就提出了光的粒子性,它認為光是有很多不同顏色的粒子混合在一起,並且可以通過三棱鏡折射出不同的顏色,牛頓也通過光的粒子性來建立起光的顏色理論。

由於當時牛頓在科學界上的地位已經非常高,現在常常所討論的萬有引力定律就是由牛頓證明的,而且他還是英國皇家科學院院長,加上他的這個身份,人們認為牛頓所提出來的光的粒子性更擁有權威性,所以在之後的很長一段時間內,光的粒子性都占有了非常大的位置。

到了1807年,有一個醫生改行研究物理學的,他就是托馬斯·楊,他設計出了光的雙縫幹涉實驗,以此來證明光的波動性。但牛頓在英國科學界的地位非常牢固,這種新的實驗帶來的證明,並沒有在英國得到很好的傳播,但這個實驗一傳到了法國之後,就得到了法國科學家的確認,並且使他們對光的波動性的確認。

不過這並無法否定光的粒子性學說,基本上科學界對於光的性質又分成了兩派,其中一派支持光的波動性,另一派是支持光的粒子性。這又引起了人們的爭論,人們紛紛通過實驗來證明自己支持的學說,但在很長的時間裏,誰也無法說服誰,總的來說還是光的波動性占據了上風。

隨著光電效應被人們所發現,緊接著愛因斯坦也提出了光量子學說,可以很好的解釋了光電效應,又使得人們對光的粒子性得到重新的認識。愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。

波粒二象性與物質波

由於這些新的發現,和任何一派的學說都無法說服對方,所以物理學者不得不承認,光除了波動性之外,還擁有粒子性,這也就是波粒二象性。

1924年,在光的波粒二象性啟發下,法國的物理學家德布羅意認為,不僅僅是只有光才會擁波粒二象性,他認為一切的微觀粒子,包括電子、質子和中子,都應該擁有波粒二象性。

德布羅意按照這一思路,並且應用了狹義相對論,計算出了這些波長與速度之間的關系,並且還弄成了一篇博士畢業論文,但當時他的導師無法作出決定,就將這篇論文發給了愛因斯坦,請愛因斯坦對論文進行評價。

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此時的愛因斯坦在科學界已經擁有了很大的權威,他的評論自然會在科學界上受到很大的重視,而愛因斯坦所給出的評價,大概也就是這篇論文裏面擁有的一些狠心很有趣的思想等等。

有了愛因斯坦的回信,對論文進行評審的評審委員會成員也就不敢隨意地下定論了,在論文的答辯過程中,他們就問德布羅意應該如何才可以通過實驗驗證他的這個假設?

按照這個假設,德布羅意認為可以通過電子加速之後投射到一些晶體上,這樣就可以給電子進行衍射實驗,以此來證實電子擁有波動性。其實當時已經有一些科學家利用電子來進行衍射實驗,但他們並沒有獲得成功,在德布羅意的假設指導下,他們給電子加大了能量,最終使實驗獲得了成功,也證實了電子擁有波動性,德布羅意也因此獲得了1929年的諾貝爾物理學獎。

值得一說的是,德布羅意原來只是讀曆史的,後來才轉行去讀物理,但卻獲得了如此巨大的發現,所以說轉行的人也有可能從中獲得很大的成就。

雙縫幹涉延遲實驗

也正是因為發現了電子的波動性,所以人們就利用電子去做一些以前的波動性實驗,像雙縫幹涉實驗也就是其中的一種。

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但電子是可以一個一個地發射的,當只發射一個電子的時候,難道電子還可以進行自我幹涉?人們通過實驗發現,還真的發現了電子自我幹涉的現象,當電子進入到其中一個縫的時候,它就會一分為二,這樣就可以自我幹涉,並且產生幹涉條紋。

這個現象讓人們百思不得其解,就像是踢一個足球,且可以同時的將它踢進兩個球門,這種現象對於人們來說是匪夷所思的。

然後科學家為了想了解電子穿過雙縫之後到底做了什麼?所以在後面加了一個監控器,以此來對電子進行行為監測,但令人想象不到的是,加了這個監測器之後,人們完全無法監測得到後面的幹涉條紋。

這種現象就更加詭異了,當加了監測器之後,電子之間的自我幹涉就消失了,試驗可以得到的結果就是雙縫,但當人們關閉監測器進行實驗的時候,幹涉條紋又出現了。

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這就是它們的詭異之處,但在實驗中加入了一個監測室之後,可以得到完全不同的兩種結果,就好像人們想要觀察電子的時候,電子就好像會通靈一樣,完全就表現出了另外一種姿態,還故意不讓人們觀察它的另外一種姿態,科學家也無法解釋這種現象。

其實這一現象已經指向,這些微觀粒子並不是一種物質而已,而是擁有一種意識,當人們想要對它進行觀察的時候,它卻有意識的改變了這種姿態。也正是因為這種現象,才令科學家感到恐懼。

綜上所述
,科學家對於雙縫幹涉延遲實驗的恐懼,並不是對於這個實驗的恐懼,而是對於這些微觀粒子的表現的恐懼,因為從實驗的結果來看,這些微觀粒子就好像擁有了意識一樣,可以自主的進行改變姿態,並不是一種單純的物質,這當然會令科學家感到恐懼了。

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